prof. joão carlos setubal - instituto de química- usp · o que varia ao longo da cadeia são as...

Introdução à Biologia Molecular

QBQ 204 – Aula 1 (biomol)

Prof. João Carlos Setubal

Aulas de biologia molecular

• Março – 9

– 10

– 16

– 17

– 30

– 31: aula na sala multimidia: bloco 1 superior

• Abril – 6

– 7: PROVA

Site desta parte da disciplina

http://www.iq.usp.br/setubal/qbq204/2016

Tudo que é preciso saber está no material disponibilizado neste site

(PDFs e filminhos do YouTube)

Formato desta parte da disciplina

• Aulas expositivas de aprox. 2 horas, com um intervalo de 10 minutos

• Após a aula, estarei à disposição para responder dúvidas

• É bom fazer perguntas em aula

– durante a prova não responderei perguntas

• Para falar comigo fora da aula:

– marcar hora, mandando email para setubal@iq.usp.br

O que vou cobrar em prova?

• Consultar lista de questões no site

• São questões genéricas; na prova haverá questões mais específicas

• Exemplos

– Genérica: O que é transcrição?

– Específica: o que faz a principal enzima no processo de transcrição?

• A ideia é que vocês aprendam os conceitos e os processos; sem decoreba!

O que é biologia molecular?

• Estudo da vida ao nível das moléculas

– DNA

– RNA

– proteínas

Por que aprender biologia molecular?

• É a base comum de todos os seres vivos do planeta

http://magazine.ufl.edu/2011/02/web-of-life/

Além disso…

• Biologia molecular é um assunto importante numa formação abrangente

• Odontologia

– Lida com o ser humano

– Biologia molecular é essencial para entender como o ser humano funciona

– Microbioma da boca: genômica!

http://genomemag.com/dentistry-gets-personalized/ novembro/2014

O mundo das moléculas

• Qual é a escala?

• Quais são as forças dominantes?

• Qual é a consistência dos objetos?

• Como se dá o movimento dos objetos?

Noções da escala do mundo molecular

• Que tamanho tem as moléculas?

Vista lateral do maciço do Pico do Marins -- Foto: Jurandir Lima/ Trilhas &Trilhas

Uma montanha é ~1000 vezes maior do que uma pessoa

A Terra é ~1000 vezes maior do que uma montanha

Portanto uma pessoa é ~1 milhão de vezes menor que a Terra

Células e moléculas

• Uma célula é ~1000 vezes menor do que uma pessoa

• Uma molécula é ~1000 vezes menor do que uma célula

• Portanto…

Nós estamos para a Terra assim como…

… as moléculas estão para nós

As forças que operam numa escala molecular são diferentes das que operam na nossa escala

• Nossa escala

– Gravidade, atrito

• Escala molecular

– Atração e repulsão entre átomos

“Consistência” das moléculas

• Podemos tratar as moléculas como se fossem objetos sólidos, tais como blocos e esferas sólidos

• Propriedade importante:

– Moléculas podem se encaixar umas nas outras como chaves em fechaduras

Movimento molecular

• É predominantemente aleatório (sujeito às forças já mencionadas)

• Não há “controle central” e muito menos “vontade própria”

• As moléculas dentro de uma célula estão continuamente colidindo umas nas outras

Apesar de aleatório, o movimento é rápido (frações de segundo)

Para ensinar biologia molecular…

• É preciso representar moléculas

• Vou usar diferentes representações ao longo das aulas

• Um exemplo

Imagens de David Goodsell

http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=are-there-missing-pieces

DNA

O que é DNA?

• É a molécula onde está a informação genética

– A “essência da hereditariedade”

• Ácido desoxiribonucleico

• Onde se encontra?

– Dentro do núcleo de cada célula

• Estrutura de fita dupla

– Em espiral (ou hélice)

• É uma macromolécula

Analogias para o DNA

DNA como metáfora

• Hoje em dia tornou-se metáfora para essência de alguma coisa

– Às vezes essa “coisa” nem sequer é um ser vivo

DNA tem uma “espinha dorsal” que é um açúcar (desoxiribose) sempre o mesmo! O que varia ao longo da cadeia são as bases ligadas às moléculas de açúcar

Componentes do DNA

Hélice dupla do DNA

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Ligações (Pontes) de Hidrogênio entre pares de bases de cadeias opostas Interações hidrofóbicas e de van der Waals entre bases adjacentes (na mesma cadeia)

DNA fita dupla: cadeias antiparalelas

T A

T

C G

Ligações covalentes

DNA fita dupla: cadeias antiparalelas

Adenina

Timina

Guanina

Citosina

Ligações (Pontes) de Hidrogênio entre pares de bases

Desoxirribonucleotídeo

Fosfato

DNA

Desoxir-

ribose

Ligação glicosídica

Projeção de Haworth

Ligação com o nucleotídeo anterior

Continua para o

próximo grupo

fosfato

Existe também RNA

• Ácido ribonucleico

• Desempenha variadas funções na célula

– Constituinte do ribossomo

– Moléculas de mRNA (mensageiro)

– Moléculas de tRNA (transportador)

– Pequenos RNAs com funções regulatórias

Ribonucleotídeo

Fosfato

Ribose

RNA

Um oxigênio a mais

Bases ou (ribo)nucleotídeos

• Adenina

• Guanina

• Citosina

• Timina (Uracil em RNA) pirimidinas

Purinas

Adenina Guanina

Pirimidinas

Citosina Timina (DNA)

Uracila (RNA)

DNA e RNA

http://cyberbridge.mcb.harvard.edu/dna_3.html

RNA geralmente está em fita simples, ou tem apenas pequenos trechos em fita dupla

http://cyberbridge.mcb.harvard.edu/dna_3.html

Representação de RNA

Por que A e U não se ligam tão fortemente quanto A e T

Por que RNA se comporta diferentemente de DNA?

Que comprimento tem uma molécula de DNA?

34 angstrons

1 angstrom = 1 x 10-10 m

10 pb

DNA é a substância do qual são feitos os cromossomos

• Então podemos perguntar que comprimento tem um cromossomo humano típico

• Um cromossomo típico tem 100 milhões de pb

• 100 milhões x 0,1 x 34 angstrons =

= 100 x 106 x 0,1 x 34 x 10-10 m =

= 3400 x 10-5 = 0,034 m = 3,4 cm

Se 1 angstrom = 1 mm

• Um cromossomo de 100.000.000 bp teria 340 km de comprimento

DNA tem vida longa

• Meia-vida: tempo para que metade das ligações de uma molécula se quebre

– 521 anos [Allentoft, Bunce et al. 2012]

• Já foi possível extrair DNA (fragmentado) de amostras congeladas com 500 mil anos

• Por isso que foi possível sequenciar o genoma de homens de Neandertal

Parque Jurássico é impossível

• Máximo estimado de vida de um DNA

– até 1,5 milhões de anos

• Não dá para recuperar DNA de dinossauros

– Extintos há 65 milhões de anos

AGCTCGCGCTCCGCATCCATCCAGTAGGGTTCGGTGTCGACGAGCGTGCC

GTCCATATCCCAGAAGACGGCGGCCGGCATCGCGTGCGGAGTCAGTTCGG

TCACGGCTGACAAGTCTATCCCGGCGGCCCCGGGCCTATTCTTGAGGGAC

GGCGTCCTGACCGGTCGCCGGATGAAAGGACCAGAACGCCCCGTGACTGA

CGCGAACAGCATCCTCGGAGGGCGCATCCTCGTGGTGGCCTTCGAAGGGT

GGAACGACGCTGGCGAGGCCGCCAGCGGGGCCGTCAAGACGCTCAAGGAC

CAGCTGGATGTCGTCCCGGTCGCCGAGGTCGATCCCGAGCTGTACTTCGA

CTTCCAGTTCAACCGGCCGGTCGTCGCGGACGACGACGGCCGCCGGCGCC

TCATCTGGCCGTCCGCGGAGATCCTGGGCCCAGCTCGCCCCGGCGACACC

GGCGATGCGCGCCTGGACGCCACCGGCGCCAACGCGGGCAATATCTTCCT

TCTCCTCGGCACCGAGCCGTCGCGCAGCTGGCGCAGCTTCACCGCGGAGA

TCATGGATGCGGCCCTGGCCTCCGACATCGGCGCCATCGTCTTCCTCGGT

GCGATGCTGGCGGACGTACCGCACACCCGCCCCATCTCCATCTTCGCTTC

GAGCGAGAACGCGGCCGTCCGTGCGGAGCTCGGCATCGAACGCTCTTCGT

ACGAGGGGCCGGTCGGTATCCTGAGCGCGCTCGCCGAAGGGGCGGAGGAC

GTGGGCATTCCGACCATCTCCATCTGGGCGTCGGTTCCGCACTATGTCCA

CAATGCGCCCAGCCCGAAGGCGGTGCTCGCACTGATCGACAAGCTCGAAG

AGCTGGTGAATGTCACCATCCCGCGTGGCTCGCTGGTGGAGGAGGCCACG

GCCTGGGAAGCCGGGATCGACGCGCTGGCTCTGGACGACGACGAGATGGC

TACGTACATCCAGCAGCTGGAGCAGGCACGCGACACCGTGGACTCCCCTG

AGGCCAGCGGCGAGGCGATCGCCCAGGAGTTCGAGCGCTACCTCCGCCGC

CGCGACGGCCGCGCCGGCGATGACCCCCGCCGTGGCTGACGTCACCCCCT

CTCTGCGTCCGCCGTCCTCTGTTCCCCCCGCTCGGCCTCCCCTGAGGCCG

AGGAGTCGCGCCCACATGCCGGAAACTCCTCCTTTCCTGACTTTCTGGAG

Representação em cadeia de uma sequência de DNA

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Para representar DNA como cadeia, precisamos de uma convenção

• Onde começa?

• Qual das fitas?

Convenção

• Conteúdo de uma das fitas do DNA deve ser representado como uma cadeia de letras para ser lida da esquerda para a direita (5´ → 3´)

• Qual das fitas?

• Não importa! (em geral)

• Dada uma das fitas, é possível saber a outra

• Complementar e inverter

Complemento reverso

• ATGGTCTC

• Qual é a outra fita?

• Complementar

– TACCAGAG

• Inverter

– GAGACCAT

ATGGTCTC

TACCAGAG

5´ 3´

3´ 5´

Exercício

• Escreva uma cadeia de DNA com pelo menos 6 bases, usando pelo menos 1 vez cada base, tal que o complemento reverso dela é ela mesma

Palíndromos

Socorram-me Subi no ônibus em Marrocos

Rir o breve verbo rir

• Palíndromos “biológicos” ocorrem em genomas

• Eles tem função biológica

• O exercício pede que você invente um palíndromo biológico